Fyzika s ťažkými iónmi alebo mal ý tresk

1

Fyzika s ťažkými iónmi

alebo malý tresk

Karel Šafařík, CERN

11 April 2013 Experiment ALICE at LHC K.Safarik

Hmotnosť nukleónov

6 June 2011 2

S hmotnosti kvarkov ~ ~ 1 % hmotnosti p/n !

väzbová energia

Od velkeho tresku k LHC - stvorenie Vesmiru v laboratoriu

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 3

Vákum v QED a QCD kvantová elektrodynamika: QEDkvantová chromdynamika: QCD

Energia páru nábojov spontánne narodených vo vákuu – kvantová fluktuácia (h = 1, c = 1):

Ekin = p ~ 1/r (pr ≥ 1) Epot = – q2/(4πr) (q = e or q = gs)

E = Ekin + Epot = (1/r)(1 – q2/4π)

v QED toto je pravda pre lubovlonú “škálu” (už po Planckovu “škálu” ~ 10-20 fm)

v QCD to je však správne len pre velmi malé vzdialenost’, niekol’ko fm (10-13 cm)

6 June 2011 Od velkeho tresku k LHC - stvorenie Vesmiru v laboratoriu 4

Prípad QED

v QEDq2 = e2 = 4παem

αem sa mení zo vzdialenost’ou (polarizácia vákua)

kde pre velké vzdialenosti αem = 1/137 pri EW (elektro-slabej) škále (r = 210-3 fm) αem = 1/128 pri Planckovej “škále” (r = 10-20 fm) αem = 1/76

To znamená, ze číselný faktor pred 1/r: (1 – q2/4π) sa mení zo vzdialonost’ou, ale

len málo, medzi 0.987 – 0.993 (i.e. 0.6%) ak meníme vzdialenost’ od Planckovej “škály” až po nekonečno…

6 June 2011 Od velkeho tresku k LHC - stvorenie Vesmiru v laboratoriu 5

Prípad QCD v QCD

q2 = gs2 = 4παs

kde αs sa zmenšuje vel’mi rýchlo zo vzdialonost’ou (asymptotická sloboda)

pri Planckovej škále αs = 0.04 pri elektro-slabej skále αs = 0.118 pri LQCD ≈ 0.2GeV (r ≈ 1 fm) αs ≈ 1

numerický faktor (1 – q2/4π) = 1 – αs sa znižuje so vzdialenost’ou, pri Planckovej škále je 0.96 ale pozor, pre r ≈ 1 fm uz je záporný !

pri vačších vzdialenostíach je E = σr (σ ≈ 1 GeV/fm)

a tento faktor je opät’ kladný


QED versus QCD

QED QCD

Ener

gy o

f pai

r

Ener

gy o

f pai

r

Distance Distance

r = 1fm

Kinetická energia stále dominujenad potenciálnou (pole je slabé)

virtual páry

Energia skrytá v poli prevázi prinejakej vzdialenosti kinetickú

reálne páry – vakuový kondensát

Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 7CERN, 27 April, 2007

Symetrie QCD

QCD má dve približné symetrie: Z3–(centre) symetriu (pre čisto kalibračnú toer, v limite mq ) chirálnu symetriu (obnovenú pre nulové hmotnosti, t.j. mq 0)

Pri vel’kých hustotách a teplotách sa nakoniec Z3–symetria naruší (prechod od confinementu k deconfinementu) chirálna symetria obnoví (chirálny fázový prechod)

Otázky:

existuje jeden spoločný fázový prechod alebo dva nezávislé? akého druhu je tento (tieto) fázový(é) prechod(y)

prvého druhu (má latentné teplo) ? druhého druhu (len zlom) ? alebo je to len cross-over prechod ?


Chirálna symetria

Pre mq 0 helicita kavarkov sa zachováva pretože gluóny majú helicity ±1 QCD teória v tejto limite má

SU(3)LSU(3)R symetriu QCD svet sa rozpadol na dva svety ktoré navzájom nekomunikujú –

lavácky svet a pravácky ak dáme do QCD vákua nehmotný lavotočivý kvark, on môže

anihilovat’ s lavotočivým anti-kvarkom z vákuového kondenzátu – tým sa ale oslobodí pravotočivý kvark

pre vzdialeného pozorovatela naš testový kvark spontánne zmenil helicitu a preto musel nejako získat’ dynamickú hmotnost’ !

QCD kvark—anti-kvarkový kondenzátate generuje dynamické kvarkové hmotnost a narušuje chirálnu symetriu

ak zvýšime teplotu kinetická energia nabitého páru (nad nejakou hodnotou) prevýši potenciálnu energiu

kvark—anti-kvark kondenzát zmizne z vákua chirálna symetria sa obnoví nad nejakou kritickou teplotou hodnota <0|qq|0> je “order parameter” fázového prechodu


Confinement (uveznenie) hmotné kvarky v čisto gluónovom vákuume pri nulovej teplote

nie sú viditelné detektorom kvôli deštruktívnej inerferencii expectation hodnota pre stopu kvarkového propagátoru – 3–

hodnotový path integrál s rôznými fázami exp (i 2πj/3), j=1,2,3 (generátory Z3)

zvyšujúc teploty T až po nejakú hodnotu toto zostane tak až pokial gluónové pole bude mat’ dostatok času sledovat’

(koherentný rearangement) náš testový farebný náboj Dalšie zvýšenie teploty (nad nejakú kritickú hodnotu) gluónové

pole nebude mat’ dostatok času Interferencia troch ciest sa naruší test farebný náboj sa stane detekovatelný, bude deconfinovaný

Toto sa dá spočítat’ analytickým predlžením kvarkového propagátoru v komplexnom case (t = +i/T) – Polyakov loop – ktorý sa stane nenulovým pre T > Tc

Polyakov loop je “order parameter” fázového prechodu


Symetrie QCD

Obidve symetrie sú narušené dynamicky Z3 symmetria je narušená kinetickou energiou (pri vysokej T)

order parameter (Polyakov loop) je nulový pod Tc a nenulový nad je to “order – disorder” fázový prechod, Z3 je narušená nad Tc

chirálna symetria je narušená potenciálnou energiou (pri nizkej T) order parameter (kvark—anti-kvarkový kondenzát) je nenulový pod

Tc a nulový nad je to “disorder – order” fázový prechod, chirálna symetria je

obnovená nad Tc

Obidve sú však narušené aj explicitne – hmotnost’ou pre malost’ mq je reálne že scénar ohl’adom chirálnej symetrie

zostane dobrým priblížením ale čo so Z3 symetriou, prečo nie je úplne zničená malost’ou mq ?


Obnovenie konfinementu

Ked sa snažíme znižit’ mq z nekonečna na ich vlastnú (malú) hodnotu to co sa stane závisí od teploty:

pri nízkych teplotách mq sa efektívne prestane znižovat’ ked’ prídeme pod dynamickú hmotnost’ kvarku Mq ≈ 350 MeV pretože chirálna symetria je narušená

Z3 symetria zostane približnou symetriou pri nízkych teplotách aj po takomto tvrdom pokuse o explictné narušenie

narušenie chirálnej symetrie efektívne zvyšuje hmotnosti kvarkov a preto riadi obnovenie Z3 symetrie

toto je argument preto, aby obidva fázové prechody nastali v tom istom bode


Fázy QCD – hračkársky model

uvážme fázu v confinemente (hadrónový plyn, HG) z piónov deconfinovanú fázu (kvark—gluónovú plazma, QGP) z gluónov a

dvoch typov (vôní) kvarkov stavové rovnica pre ideálny plyn

e = (g/30) π2T4 , p = e/3 = (g/90) π2T4 kde g = nb + (7/8) nf

• pre HG nb = 3, nf = 0pHG = (1/30) π2T4

• pre QGP: nb = 16, nf = 24 ale teraz máme aj vonkajší tlak od QCD vákua B

pQGP = (37/90) π2T4 – B• na hranici dvoch fáz – tlak musí byt’rovnaký

Tc = (90B/34π2)1/4 = 144 MeV pre B1/4 = 200 MeV (MIT bag model)


Fázy QCD – poruchová teória pri nenulovej baryónovej hustote – prvý rád p-QCD

e = [16(1 – 15αs/4π) + (7/8)12nq(1 – 50αs/21π)] (1/30) π2T4 + + Σq 16(1 – 15αs/2π) (3/ π2)μq

2(π2T4 + μq2( /2)

(pre μq = 0, αs = 0, a nq = 2 dostaneme náš hračkársky model)

použijúc αs = 0.4 tou istou cestou dostaneme Tc = 164 MeV

Dnes analytické výpočty existujú aj pre vyššie rády

14

Lattice QCD at high temperature


• Order parameters of QCD phase transitions:• quark – antiquark vacuum condensate

• chiral phase transition in limit mq → 0• expectation value of Polyakov loop

• deconfinement phase transition in limit mq → ∞

CERN, 27 April, 2007

15

Big Bang

SPS

LHC

CERN, 27 April, 2007

16

Priestorovo-časový vývoj

17

RAA and vn – definitions


• RAA – ratio of pT spectrum in AA collisions to that in pp – properly normalized by number of binary collisions

RAA

if AA would be just a superposition of pp collisions RAA = 1

• vn – Fourier coefficients of particle distributions in azimuthal angle φ with respect to n-th reaction plane

vn = 0 would mean azimuthally symmetric distribution

y2

y3

y4

CMB maps

9 May 2013 Od velkeho tresku k LHC - stvorenie Vesmiru v laboratoriu 18

33 GHz with foreground

94 GHz with foreground

Final result, 7-years dataforeground subtracted

Inhomogeneities ~10-4 – 10-5

WMAP results CMB power spectrum

dipole moment gives our velocity 627±22 km/s

age of the Universe13.75±0.11 x 109 years

total density of the Universe1.0023+0.0056

−0.0054

Hubble’s constant70.4+1.3

−1.4 (km/s) / Mpc

CMB temperature 2.725 K


Composition of matter

today 72% of matter of the Universe – dark energy

before ~7 x 109 years the Universe accelerated its expansion

vacuum energy? scalar field? cosmological constant?

23% is (cold) dark matter, what is it?


Planck satellite


Porovnanie rozlíšania:10 x lepšie rozlíšenie než WMAP

9 frequency band (WMAP 5)

Planck – prvé výsledky


Age of Universe: 13.798 ± 0.037 x 109 yearsHubble constant: 67.80 ± 0.77 (km/s)/MpcOrdinary matter: 4.9 %Dark matter: 26.8 %Dark energy: 68.3%

23

p+ + p-K+ + K-

Identified particles atintermediate pT


● charged particles ●●●●●● different centralities for identified particles

For pT below ~ 7 GeV/c: RAA(p) < RAA(h±), RAA(K) ≈ RAA(h±)For pT below ~ 7 GeV/c: RAA(p) < RAA(h±), RAA(K) ≈ RAA(h±), RAA(p) > RAA(h±)For pT below ~ 7 GeV/c: RAA(p) < RAA(h±)

At higher pT: RAA are compatible

p + p

40–60%20–40% 60–80%

10–20%5–10%0–5%

Talks by M.IvanovA.OrtizVelasquez

24

Identified-particle v2


Talks by S.Voloshin F.Noferini

v2 for p, p, K±, K0s, L, f (not shown for X, W)

f at low pT (<3 GeV/c) follows mass hierarchy– at higher pT joins mesonsoverall qualitative agreement with hydro up to pT 1.5–3 GeV/c (p–p); quantitative precision needs improvements – hadronic afterburner

nq(mT)-scaling worse than at RHIC nq(pT)-scaling at pT > 1.2 GeV/c violation 10–20%

25

v2 and v3 versus h


v2 and v3 measurements extended up to h = 5 observed plateau in pseudorapidity (|h| < 2)very good agreement between ALICE and CMS for v2 in |h| < 2.4

consistent with longitudinal scaling in h – ybeam with PHOBOS data

Talks by S.Voloshin A.Hansen

26

0–5% 5–10%10–20%

40–50%30–40%20–30%

v2 , v3, v4 versus pT


arXiv:1205.5761 [hep-ex]

Talk by S.Voloshin

vn measurements up to 20 GeV/c – where dominated by jet quenchingNon-flow effects suppressed by rapidity gap or using higher cumulantsNon-zero value of v2 at high pT both for Dh > 2 and 4-particle cumulant

v3 and v4 diminish above 10 GeV/c – indication of disappearance of fluctuations at high pT

W.Horowitz,M.Gyulassy, J.Phys. G38 124114

27

D meson RAA


Average D-meson RAA:– pT < 8 GeV/c hint of slightly less suppression than for light hadrons– pT > 8 GeV/c both (all) very similarno indication of colour charge dependence

Talks by Z.Conesa del ValleA.Grelli

28

D meson v2


Talks by Z.Conesa del ValleD.Caffarri

Non-zero D meson v2 observed Comparable to that of light hadronsExpressed as event-plane dependent RAA

Simultaneous description of RAA and v2

c-quark transport coefficient in medium

29

J/y RAA centrality dependence


0<pT<2 GeV/c

5<pT<8 GeV/c

J/y suppression measurements both in central and forward regions– from Npart > 100 suppression independent of centrality– in central collisions, less suppression than at RHIC – at low pT (< 2 GeV/c) less suppression than at high pT, especially in more central collisions

Indication of J/y regeneration at low pT ?

Talks by E.ScomparinR.ArnaldiI.Ch.Arsene

30

J/y RAA vs. centrality and pT


regeneration

total

primordial

regeneration

total

primordial

total

total

regeneration

0–20%

40–90%

Comparison to regeneration model:X.Zhao, R.Rapp NPA 859 114Different suppression pattern at low/high-pT

At low pT ~50% J/y from recombinationFair agreement for different centralitiesStatistical hadronization model also describes the data: P.Braun-Munzinger et al.

Talks by E.Scomparin, R.Arnaldi

31

J/y elliptic flow


J/y produced by recombination of thermalized c-quarks should have non-zero elliptic flow– measurements give a hint for non-zero v2 – qualitative agreement with transport models, including regeneration– complementary to indications obtained from J/y RAA studies

Talks by E.ScomparinH.Yang

32

Direct photon production


pT < 2 GeV/c ~20% excess of direct photonspT > 4 GeV/c agreement with Ncoll-scaled NLO

Exponential fit for pT < 2.2 GeV/c inv. slope T = 304±51 MeVfor 0–40% Pb–Pb at √s 2.76 TeVPHENIX: T = 221±19±19 MeVfor 0–20% Au–Au at √s 200 GeV

Talk by M.R.Wilde

http://www.guinnessworldrecords.com/world-records/10000/highest-m

an-made-temperature

33

ALICE future plans


Precision measurement of the QGP parameters at mb = 0to fully exploit scientific potential of the LHC – unique in:

• large cross sections for hard probes• high initial temperature

• Main physics topics, uniquely accessible with the ALICE detector:

• measurement of heavy-flavour transport parameters:• study of QGP properties via transport coefficients (h/s, q)

• measurement of low-mass and low-pT di-leptons • study of chiral symmetry restoration• space-time evolution and equation of state of the QGP

• J/y , y’, and cc states down to zero pT in wide rapidity range• statistical hadronization versus dissociation/recombination

ˆ

ALICE dielectrons

inclusive dielectron invariant mass … excess after subtraction

new ITS and high-rate upgrade, with “tight” impact parameter cut…

5 September 2012 ALICE Ugrade LoI K.Safarik 34

Physics at LHC

23/05/2006 Physics Programme of ALICE Experiment K.Safarik

35

Karel Safarik: Od velkeho tresku k LHC - stvorenie vesmiru v laboratotiu 36

BANGS

1 December 2011

Od velkeho tresku k LHC - stvorenie Vesmiru v laboratoriu 38PLC 20J. Schukraft38

Zhrnutie LHC a vsetky experimenty pracuju tri roky perfektne

intezity zvazkov a mnozstvo zaznamenanych zrazok ovela nad ocakavanie prve fyzikalne vysledky publikovane

presne potvrdenie stadartneho modelu Higgsov bozon najdeny – podla predpovedi hmotnost ~ 125 GeVfluktacie v pociatocnom stave v zrazkach tazkych ionovdosiahnuta teplota v zrazkach tazkych ionov ~ 300 MeV

Looking forward to explore the ‘terra incognita’ at LHC

6 June 2013Hic sunt Leones !

Documents

Fyzika s ťažkými iónmi alebo mal ý tresk